[发明专利]一种水系超级电容器

说明书

技术领域

本发明涉及一种超级电容器。

背景技术

超级电容器也称电化学电容器，是一种新型的储能元件，兼有常规电容器的功率密度大和化学电源能量密度高的优点，可快速充放电，使用寿命长，在电子、电力和汽车等领域都有广阔的应用前景。

超级电容器根据电解质溶液的不同可分为有机体系、离子液体体系和水溶液体系等三种，前两者电化学窗口较大，工作电压可达2.7V，但电解质溶液价格比较昂贵，制作电容器时需要干燥的生产环境，工艺成本比较高。碳基材料是应用最为广泛的超级电容器的活性物质，其水系电解质溶液一般采用H₂SO₄和KOH溶液，成本较低，但电解质溶液腐蚀性较大且电化学窗口较小，工作电压一般不超过1.0V。根据公式E＝1/2 CV²可知，超级电容器的能量密度E与电容的值C成正比，与电压V的平方成正比，因此要提高水系超级电容器的能量密度，必须要提高电容器的工作电压。

发明内容

本发明的目的是克服现有水系超级电容器的能量密度低、电解质溶液对电极片有腐蚀等缺点，提供一种能量密度高、电解质溶液腐蚀性小的水系超级电容器。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

本发明水系超级电容器包括：用于离子传导的电解质溶液；电极片：正极片和负极片，所述的正极片和负极片间隔布置并吸附有电解质溶液，以及设置在正极片与负极片之间的隔膜。所述的正极片和负极片采用活性物质、导电剂、粘结剂或集流体制作，所述的活性物质为碳材料，所述的电解质溶液为碱金属盐的水溶液。所述的集流体可以选用镍网、不锈钢网、泡沫镍或铝箔。

电极片的制备方法有两种：一是将活性物质、导电剂和粘结剂混合均匀，制成膜压覆在集流体上，干燥后裁制成电极片；另一种是将活性物质、导电剂和粘结剂混合均匀，通过涂布的方式涂在集流体上，干燥后裁制成电极片。为了减小电阻还要将所制备的电极片辊压至合适的厚度。将电极片焊接极耳后通过叠片或卷绕成电芯放入超级电容器壳中，滴加电解质溶液后封口，制成超级电容器。

其中，所述的碳材料为活性炭、石墨烯、氧化石墨烯、纳米碳管、碳纳米纤维和碳气凝胶中的一种或几种。

作为优选方案，所述的粘结剂为聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯，羧甲基纤维素、羧甲基纤维素钠和丁苯橡胶中的一种或几种。聚偏二氟乙烯一般是与N-甲基吡咯烷酮组合使用与碳材料制备油性涂布浆料；聚四氟乙烯是采用水乳液与碳材料制备水性涂布浆料；羧甲基纤维素或羧甲基纤维素钠是用作增稠剂与丁苯橡胶一起使用，与碳材料制备水性涂布浆料。

作为优选方案，所述的电解质溶液为硫酸锂、硫酸钠、硫酸钾、硝酸锂、硝酸钠、硝酸钾水溶液中的一种或几种碱金属盐的水溶液。作为优选，电解质溶液为硫酸锂的水溶液，并进一步优选含有0.5～3mol/L硫酸锂的水溶液，与硫酸钠和硫酸钾相比较，硫酸锂不仅在水中的溶解度比较高，并且随着温度的降低溶解度不减反增，比如，它在60℃时的溶解度是31.4克，在0℃时的溶解度达到36.1克，这有助于提高超级电容器的低温性能。

可以单独使用硫酸锂、硫酸钠、硫酸钾、硝酸锂、硝酸钠和硝酸钾中的某一种碱金属盐的水溶液作为电解质溶液，也可以使用其中任意两种或两种以上碱金属盐的混合溶液。混合溶液的优点在于可以提高溶液的离子浓度以及电导率，从而提高超级电容器的大电流充放电性能，如本发明所列举的硫酸盐和硝酸盐的混合溶液。因为不同的离子尺寸不同，如钾原子的尺寸本身是大于锂原子的，但是在水溶液中电离的钾离子由于失去电子其尺寸反而比锂离子小了，所以这些不同尺寸的离子可以渗透到活性物质的尺寸不同的微孔、中孔中去，从而可以充分发挥碳材料的双电层电容性能。综上所述，本发明所列举的不同碱金属盐的混合溶液可以产生协同效应，作为电解质溶液使超级电容器具有更佳的电化学性能。作为优选，电解质溶液为含有0.2～1mol/L钾离子、1～6mol/L锂离子、0.6～3mol/L硫酸根离子和0～6mol/L硝酸根离子的混合溶液，可以是硫酸锂与硫酸钾、硫酸锂与硝酸锂、硝酸锂与硫酸锂、硝酸锂与硫酸钾这四种碱金属盐组合中的任一种组合的混合水溶液。